DE3881828T2 - Nachgiebige Schicht für Kompositkörper. - Google Patents

Nachgiebige Schicht für Kompositkörper.

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DE3881828T2 DE88630186T DE3881828T DE3881828T2 DE 3881828 T2 DE3881828 T2 DE 3881828T2 DE 88630186 T DE88630186 T DE 88630186T DE 3881828 T DE3881828 T DE 3881828T DE 3881828 T2 DE3881828 T2 DE 3881828T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Milderung der Wirkung von unerwünschten Spannungen, die während der Bildung eines Keramik-/Metallverbundkörpers auftreten. Die Erfindung betrifft auch die Herstellung von Keramik-/Metallverbundkörpern, in denen keramische Gegenstände, insbesondere keramische Gegenstände niedriger Festigkeit enthalten sind, gemäß dein Oberbegriff von Anspruch 1 und den Körper gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 15 und 24.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Für unterschiedliche Anwendungen wurden viele unterschiedliche Arten von Verbundmaterialien entwickelt. Ein verbundmaterial, das sehr viel Beachtung für Hochtemperatur- /Haltbarkeitsanwendungen gefunden hat, ist die Kombination eines einstückigen, keramischen Gegenstands innerhalb einer Masse von Metall.
  • Das praktischste und billigste Verfahren zur Bildung eines Verbundkörpers, bei dem eine einstückige Keramik von einer Masse von Metall umgeben ist, umfaßt das Verfestigen eines gegossenen schmelzflüssigen Metalls um einen keramischen Gegenstand herum. Wenn sich das gegossene Metall verfestigt und abkühlt, können jedoch hohe Druckspannungen in dem keramischen Gegenstand auftreten. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik und des Metalls unterscheiden sich insbesondere typischerweise voneinander, so daß die Spannungen, die auf den keramischen Gegenstand ausgeübt werden, zu dem Beginn von Rissen und/oder dem katastrophalen Versagen der Keramik führen können. Der Beginn einer solchen Rißbildung und/oder ein solches Versagen ist besonders ausgeprägt bei hohlen keramischen Gegenständen niedriger Festigkeit. Bis heute gab es keine angemessene Lösung dieses Problems übermäßiger Druckspannungen, die zu einem Versagen von keramischen Gegenständen niedriger Festigkeit führen können. Bei bestimmten Anwendungen war außerdem der Beginn von Rißbildung und/oder dem Versagen eines Metalls auch ein Problem. Wenn beispielsweise das Metall, das die Keramik umgibt, dünn ist, kann eine größere Größenordnung des Zusammenziehens des Metalls während des Kühlens zu Zugspannungen in dem Metall führen, die zu dessen Nachgeben oder Versagen führen können.
  • Es ist oft wünschenswert, einen einstückigen, keramischen Gegenstand innerhalb einer Masse von Metall für Anwendungen zu bilden, die die Erhaltung von thermischer Abgasenergie, beispielsweise als Auspuffrohr für einen Verbrennungsmotor erfordern. Insbesondere mit Bezug auf das Auspuffrohr für einen Verbrennungsmotor ist ein einstückiger, hohler, keramischer Gegenstand niedriger Festigkeit zumindest teilweise von einer Masse von verfestigtem Metall umgeben. Die thermischen Isolierungseigenschaften der Keramik helfen dabei, ein stromabwärts gelegenes Katalysatorsubstrat durch die heißen Abgase mit einer hohen Geschwindigkeit relativ zu einem Auspuffrohr zu erhitzen, das insgesamt aus Metall besteht, weil die Keramik Wärmeverluste in dem Abgasstrom verringert. Ein solches schnelles Erhitzen ist wünschenswert, weil ein Katalysatorsubstrat unerwünschte Schadstoffe aus einem Abgas erst umwandelt, wenn es auf seine Betriebstemperatur durch die Abgase erhitzt worden ist. Insbesondere können unannehmbare Mengen an Schadstoffen von einem Auspuffsystem während der anfänglichen Aufwärmperiode für einen Katalysator mit Bezug auf die Menge an Schadstoffen, die abgegeben werden, wenn der Katalysator erst einmal erhitzt ist, abgegeben werden. So können durch den Einbau einer Keramik innerhalb eines Auspuffrohrs aus Metall unerwünschte Emissionen aus einem Verbrennungsmotor verringert werden. Außerdem führt die Verwendung der Rohrauskleidung in einem Turbolader zu höheren Abgasstromtemperaturen, wodurch die Betriebsleistung des Turboladers verbessert wird. Außerdem verringert die Verwendung einer Keramik innerhalb eines Auspuffrohrs aus Metall die Wärmeenergiezuführung aus dem Abgas in das Kühlmittel des Motors. So könnte ein kleineres Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor verwendet werden.
  • Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Druckspannungen auf einen keramischen Gegenstand zu verringern, die durch die Verfestigung und das Abkühlen eines schmelzflüssigen Metalls um die Keramik herum verursacht werden. Das US Patent Nr. 3.709.772 von Rice (nachstehend "Rice 772" genannt) offenbart beispielsweise, daß eine poröse, faserige, nachgiebige, feuerfeste Schicht auf eine Außenoberfläche eines hohlen keramischen Gegenstands aufgebracht wird, ehe ein Metall um die Keramik herum gegossen wird. Die poröse, feuerfeste Schicht wird aufgebracht, indem die Außenoberfläche des keramischen Gegenstands mit einem Aluminiumsilicatfaserpapier mit einer Dicke von 3,0 bis 5,1 mm (0,120 bis 0,200 Zoll) umwickelt wird. Alternativ wird offenbart, daß die Schicht durch "Sprühen" einer flüssigen Suspension der Aluminiumsilicatfasern gegen eine Oberfläche oder durch "Blasen" von zerhackten Fasern gegen eine klebrige Oberfläche aufgetragen werden kann. Es wird offenbart, daß eine nachgiebige Schicht innerhalb dieses dicken Bereichs die Spannungen aushalten kann (das heißt, die Keramik daran hindern kann, zu zerbrechen), die von dem Gießen einer Eisen- oder einer Aluminiumlegierung mit einer Dicke von 4,8 bis 6,4 mm (0,1875 bis 0,250 Zoll) um den keramischen Gegenstand herum erzeugt werden. Die offenbarte Aluminiumsilicatschicht ist jedoch in vielen Fällen, wie bei ausgereiften Zylinderkopfgußteilen, aufgrund ihrer Dicke mit Bezug auf die Dicke der umgebenden Metallschicht unannehmbar. So wird die Festigkeit des Verbundkörpers aufgrund der relativ dicken und schwachen, nachgiebigen Zwischenschicht aufs Spiel gesetzt. Außerdem ist die Aluminiumsilicatschicht durch bestimmte schmelzflüssige Metalle wie Aluminium und Magnesium bei typischen Metallgußtemperaturen benetzbar. So kann schmelzflüssiges Metall dazu neigen, in die Aluminiumsilicatschicht einzudringen und die nachgiebige Schicht so an ihrer gewünschten Funktionsweise hindern.
  • Das US-Patent Nr. 3.718.172 von Rice, auf dem die Oberbegriffe der Ansprüche 1, 15 und 24 beruhen (nachstehend "Rice '172" genannt), offenbart eine Dämpfungsschicht aus Aluminiumsilicat, die ähnlich der in Rice '772 offenbarten nachgiebigen, feuerfesten Schicht ist. Dementsprechend hat diese Schicht alle Mängel der in Rice '772 offenbarten, nachgiebigen Schicht.
  • Das US Patent Nr. 4.245.611 von Mitchell et al. offenbart die Verwendung einer Dämpfungschicht aus Aluminiumsilicat zwischen einem keramischen Einsatz und einem metallischen Kolbenkörper.
  • Das offenbarte Dämpfungsmaterial ist jedoch ähnlich dem sowohl in "Rice '772" als auch in "Rice '712" offenbarten Dämpfungsmaterial. So ist dieses Dämpfungsmaterial aus all den vorstehend erörterten Gründen nicht wünschenswert. Eine weitere Alternative zur Unterdrückung unerwünschter Spannungen in einem keramischen Gegenstand umfaßt das Aufbringen eines Formsandes, gemischt mit einem Bindemittel, auf den keramischen Gegenstand vor dem Gießen des schmelzflüssigen Metalls um die Keramik herum. Das Japanische Patent 53-8326 offenbart, daß ein Formsand auf eine Außenfläche der Keramik aufgebracht werden kann, um eine Deckschicht mit einer Dicke von 1 bis 5 mm darauf zu bilden. Der Formsand kann mit Wasser oder einem Bindemittel kombiniert werden, um die Bindung des Sandes an den keramischen Gegenstand zu unterstützen. Der Sand ist jedoch durch bestimmte schmelzflüssige Metalle wie Aluminium oder Magnesium bei typischen Metallgießtemperaturen benetzbar. So neigt das schmelzflüssige Metall dazu, in die poröse Sandabdeckung einzudringen und die Sandschicht daran zu hindern, als Dämpfung gegen Druckspannungen, die durch das Abkühlen des Metalls erzeugt werden, zu wirken. Außer der Aufbringung irgendeiner Art von Zwischenschicht zwischen einem keramischen Gegenstand und einem verfestigten, schmelzflüssigen Metall wurde ein Schwergewicht auf die Steuerung bestimmter physikalischer Eigenschaften der Keramik gelegt. Insbesondere wurden keramische Gegenstände mit einer gesteuerten Porosität und Porengröße auch verwendet, um die Wirkung von unerwünschten Druckspannungen zu mildern.
  • Das US Patent Nr. 3.568.723 von Sowards offenbart das Gießen eines schmelzflüssigen Metalls um einen Keramikkern herum, wobei der Kern eine Oberflächenporosität im Bereich von 20 bis 80 % und eine Porengröße im Bereich von 25 bis 2500 µm hat. Die Oberflächenporosität wird erzielt, indem die Oberfläche des Keramikkerns modifiziert wird durch solche Techniken wie das Einverleiben eines zersetzbaren Materials in einem Oberflächenbereich des Kerns, wenn der Kern hergestellt wird. Diese Technik ist mühsam zu steuern und verteuert das Verfahren. Sowards offenbart außerdem verschiedene Überzüge, die auf eine Oberfläche eines Keramikkerns aufgebracht werden können, wobei die Überzüge Polystyrol, zementiertes Natriumsilicat, ein Quarzwollekissen und Siliciumdioxidfritte umfassen.
  • Das US Patent Nr. 4.533.579 von Hashimoto offenbart auch die Verwendung keramischer Gegenstände mit spezifischen, physikalischen Eigenschaften. Hashimoto offenbart, daß es wünschenswert ist, die Keramik so zu konstruieren, daß sie eine bestimmte Teilchengrößenverteilung aufweist. Teilchen mit einer Größe von weniger als 44 µm machen 14,5 bis 50% der gesamten Teilchen aus, und der Rest sind Teilchen mit einer Maximalgröße in einem Bereich von 500 bis 2000 µm. Es ist offenbart, daß diese Teilchengrößenverteilung der Keramik eine verbesserte Festigkeit gegen Druckspannungen verleiht. Das Versagen der Keramik ist jedoch nur ein Teil der Streitfrage, da eine gewisse Entspannungsfähigkeit zur Vermeidung eines Versagens des Metallgusses auch wichtig ist, und Hashimoto keine Mittel liefert, um dieses gestellte Problem zu verhüten.
  • Das deutsche Patent 2.354.254 steuert die physikalischen Eigenschaften eines keramischen Gegenstands zur Erhöhung des Beständigkeit der Keramik thermischen Spannungen gegenüber. Es wird offenbart, daß wärmeisolierte Gußteile für Auspuffrohre von Verbrennungsmotoren aus Gußmetall um eine flexible keramische Schale herum, die eine glatte Oberfläche hat, gebildet sind. Es ist notwendig, daß die Keramikhülle einen Young' schen Modul von 200 bis 5000 kg/mm², eine Biegefestigkeit von 8 bis 200 kg/cm² und eine Wanddicke von weniger als einem Viertel des Innendurchmessers aufweist.
  • Ein weiterer keramischer Gegenstand, der besondere physikalische Eigenschaften aufweist, ist in dem US Patent 3.919.755 von Kaneko et al offenbar. Dieses Patent betrifft die Herstellung von wärmeisolierenden Gußteilen durch Formen einer flexiblen, porösen, keramischen Auskleidung aus einer Mischung eines feuerfesten Materials und eines Aluminiumoxidzements; Gießen des schmelzflüssigen Metalls gegen die Auskleidung und nach dem Gießen des schmelzflüssigen Metalls Imprägnieren der Auskleidung mit einem wärmebeständigen Bindemittel. Es wird offenbart, daß es wichtig ist, zu vermeiden, die Keramikauskleidung mit einem wärmebeständigen Bindemittel vor dem Gießen des schmelzflüssigen Metalls zu imprägnieren, um sicherzustellen, daß die Auskleidung den Gießprozeß übersteht.
  • Keramische Gegenstände hoher Festigkeit sind auch verwendet worden, um die Wirkung zu mildern, die thermische Spannungen auf die Keramik haben. Die japanischen Patente 60-118366 und 60-216968 offenbaren beispielsweise das Gießen von schmelzflüssigem Metall um Oxidkeramiken hoher Festigkeit herum. Schließlich offenbart das japanische Patent 59-232978 das Gießen von schmelzflüssigen Metallen um Keramikkörper hoher Festigkeit aus stabilisiertem Zirconiumoxid herum.
  • Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß frühere Versuche zur Verbesserung unerwünschter Spannungen, die auftreten, wenn keramische Gegenstände mit relativ dicken, porösen Überzügen verwendet werden, die durch Metalle, wie Aluminium und Magnesium, bei typischen Metallgießtemperaturen benetzbar sind, und unter Verwendung von Keramik mit sorgfältig gesteuerten physikalischen Eigenschaften gemacht worden sind. Keramik- /Metallverbundkörper, bei denen dicke Überzüge auf einem keramischen Gegenstand verwendet werden, sind jedoch für physische Schäden aufgrund des Vorhandenseins einer relativ dicken und schwachen Schicht zwischen dem Metall und der Keramik anfällig. Außerdem kann es schwierig sein und in manchen Fällen teuer, solche Überzüge aufzubringen. Diese bekannten Überzüge mußten schon immer dick sein, da sie das Eindringen eines Metalls gestatten (das heißt, sie werden durch das Metall benetzt), so wurde ihr Funktionieren als nachgiebige Schicht teilweise aufs Spiel gesetzt. Außerdem kann eine Erfordernis für spezifische mechanische Eigenschaften in einer Keramik die Fähigkeit, die gewünschten Wärmeeigenschaften zu liefern, verringern. Außerdem kann es schwierig sein, keramische Gegenstände, die die Verwendung von zusätzlichen Imprägnierungsschritten verlangen, herzustellen, und dies führt zu weiteren Kosten bei der Herstellung des Verbundkörpers.
  • Deshalb besteht ein Bedarf, ein billiges, zuverlässiges Mittel zu schaffen, um sicherzustellen, daß keramische Gegenstände die Spannungen, die mit dem Metallgießen verbunden sind, uberstehen, um strukturell fehlerfreie Keramik-/Metallverbundkörper zu schaffen. Insbesondere besteht ein Bedarf zur Sicherstellung, daß das schmelzflüssige Metall um einen keramischen Gegenstand niedriger Festigkeit gegossen werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften der Keramik zu verschlechtern und ohne die mechanischen Eigenschaften des Verbundkörpers zu verschlechtern. Außerdem besteht ein Bedarf zur Sicherstellung, daß, wenn schmelzflüssiges Metall um einen keramischen Gegenstand herum gegossen wird und die Dicke des abkühlenden Metalls relativ dünn mit Bezug auf die Dicke des Keramikgegenstandss und/oder die Zugfestigkeit des Metalls niedrig im Vergleich zu der Druckfestigkeit der Keramik ist, das Metall aufgrund der Entwicklung von Zugspannungen darin nicht reißt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Tatsachen entwickelt und um die Mängel des Standes der Technik zu überwinden.
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, zum Verhindern von Brechen (das heißt katastrophalem Versagen) eines keramischen Gegenstands, insbesondere eines keramischen Gegenstands niedriger Festigkeit während der Verfestigung und des Abkühlens eines schmelzflüssigen Metalls, das um den keramischen Gegenstand herum gegossen wurde. Die Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Verhindern des mechanischen Versagens von Metall, das um einen keramischen Gegenstand herum gegossen wurde, wenn die Dicke des Metalls mit Bezug auf die Dicke der Keramik dünn ist und/oder die Zugfestigkeit des Metalls im Vergleich zu der Druckfestigkeit der Keramik niedrig ist.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Zusammensetzung für eine nachgiebige Schicht, die zwischen einem keramischen Gegenstand und einem Metall in einem Keramik-/Metallverbundkörper anzuordnen ist. Die Zusammensetzung, die zur Bildung der nachgiebigen Schicht verwendet wird, umfaßt eine Mischung von Gipshalbhydrat (das heißt Calciumsulfat) und mindestens einem Füllstoffmaterial. Füllstoffmaterialien, wie Cristobalit, Quarz, Kaolinton, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Cordierit usw. können der Gipshalbhydratmischung einverleibt werden, um zu verhindern, daß die Gipshalbhydratmischung reißt und/oder sich von dem keramischen Gegenstand während dessen Trocknen abschält und/oder zur Modifizierung der mechanischen Eigenschaften der sich ergebenden nachgiebigen Schicht. Die Mischung des Gipshalbhydrats und mindestens eines Füllstoffmaterials kann zu einer Aufschlämmung gebildet werden, um das Anhaften der Mischung an dem keramischen Gegenstand zu erleichtern. Typische flüssige Trägermaterialien für die Aufschlämmung umfassen Wasser und Wasser- /Alkohol-Mischungen. Die Aufschlämmung wird typischerweise getrocknet und auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, um zumindest etwas und in einigen Fällen eine beträchtliche Menge des Hydratwassers aus dem Calciumsulfat auszutreiben. Außerdem kann bei einer geeigneten hohen Temperatur das Calciumsulfat mit der metallischen Komponente in dem mindestens einem Füllstoffmaterial reagieren, um eine weitere kristalline Spezies zu bilden. Falls beispielsweise ein kieselsäurehaltiges Material als Füllstoff verwendet wurde, konnte die Si-Komponente aus dem kieselsäurehaltigen Material mit dem Calciumsulfat reagieren, um ein Calciumsilicat zu bilden. Eine solche Calciumsilicatbildung könnte entweder teilweise oder vollständig sein (das heißt, falls geeignete molare Mengen des Calciumsulfats und des kieselsäurehaltigen Materials gemischt und auf eine geeignete Reaktionstemperatur erhitzt wurden, konnte eine vollständige Reaktion zur Bildung eines Calciumsilicats stattfinden). Nachdem die nachgiebige Schicht auf dem keramischen Gegenstand gebildet worden ist, wird das schmelzflüssige Metall um den keramischen Gegenstand herum gegossen, und nach Abkühlen des Metalls auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunkts ergibt sich ein Verbundkörper.
  • Die nachgiebige Schicht, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde, weist charakteristischerweise eine relative Porosität von etwa mindestens 30% auf, um sicherzustellen, daß die Schicht ordnungsgemäß zur Aufnahme unerwünschter Spannungen funktionieren kann. Außerdem ist die nachgiebige Schicht charakteristischerweise nicht zu irgendeinem nennenswerten Ausmaß durch das schmelzflüssige Metall bei typischen Temperaturen benetzbar, bei denen Metall gießbar ist, sogar nach einer langen Aussetzung, denn, falls die nachgiebige Schicht benetzbar wäre, könnte ihre geplante Aufgabe aufs Spiel gesetzt werden.
  • Die nachgiebige Schicht sollte leicht an den keramischen Gegenstand haftbar sein, bei Erhitzen nicht von der Keramik abplatzen oder sich abschälen und imstande sein, durch das Gießen, Verfestigen und Abkühlen des schmelzflüssigen Metallkörpers erzeugte Spannungen zu mildern. Außerdem sollte die nachgiebige Schicht die mechanischen Eigenschaften des sich ergebenden Keramik-/Metallverbundkörpers nicht verschlechtern, wodurch ein überlegener Verbundkörper erzeugt wird. Weiterhin sollte die nachgiebige Schicht vorzugsweise aus einem relativ billigen Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und einem niedrigen Young'schen Modul hergestellt werden.
  • Die Erfindung kann im allgemeinen auf jede Situation angewandt werden, in der eine Verringerung der Spannung zwischen einem massiven, im wesentlichen massiven oder hohlen Keramikkörper und einem Metall erforderlich ist. So ist eine große Anzahl von Anwendungen vorhersehbar. Die Erfindung kann jedoch spezifisch auf einen Verbundkörper angewandt werden, der als Auspuffsrohrauskleidung für einen Verbrennungsmotor verwendet wird. Beispielsweise ist ein hohler keramischer Gegenstand mit einer niedrigen Festigkeit zumindest teilweise von einem gegossenen Metall auf der Grundlage von Aluminium mit einer nachgiebigen Schicht umgeben, die sich dazwischen befindet. Es ist auch denkbar, daß der Verbundgegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung bei vielen Anwendungen verwendet werden könnte, welche die Erhaltung der Abgaswärmeenergie umfassen, einschließlich Turboladen oder Turbocompounding.
  • So gestattet die neue nachgiebige Schicht die Bildung von Keramik-/Metallverbundkörpern mit einer hohen Wärmebeständigkeit aufgrund der Kombination eines hohlen keramischen Gegenstands niedriger Festigkeit mit einer relativ hohen Wärmebeständigkeit mit einem Umgebungsmaterial größerer Festigkeit.
  • Die neue nachgiebige Schicht kann auch auf einen selbsttragenden keramischer Gegenstand aufgebracht werden, der einen porösen Kern aufweist, der durch eine dichte Haut auf mindestens einer seiner Oberflächen umgeben ist oder diese trägt. Ein solcher selbsttragender keramischer Gegenstand wird als Gegenstand mit "einem porösen Kern und einer dichten Haut" bezeichnet. Der Gegenstand mit einem porösen Kern und einer dichten Haut ist detailliert in EP-A-261 050 (nicht vorveröffentlicht) beschrieben. Der Gegenstand mit porösem Kern und dichter Haut kann als der keramische Teil des vorstehend erörterten Keramik- /Metallverbundkörpers dienen. Die Bildung des Gegenstands mit porösem Kern und dichter Haut wird nachstehend detaillierter erörtert.
  • Die folgenden Ausdrücke, die hier und in den Ansprüchen verwendet werden, sind, falls nichts etwas anderes angegeben wird, wie nachstehend definiert zu interpretieren.
  • Der Begriff keramischer Gegenstand "niedriger Festigkeit" bezieht sich auf keramische Gegenstände, die in Vierpunkt-Biegefestigkeit von nicht mehr als etwa 34,5 MPa (5000 psi) haben. Der Begriff "niedriger Modul" bezieht sich auf Materialien, die einen Young'schen Modul von nicht mehr als etwa 70 GPa haben.
  • Der Begriff "Oxidationsmittel" bedeutet irgendein Material, das einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren und Elektronenteiler aufweist. Das Material kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination dieser sein. So ist Sauerstoff (einschließlich Luft) ein geeignetes Oxidationsmittel, wobei Luft aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bevorzugt wird.
  • Der Ausdruck "Grundmetall" bezieht sich auf das Metall, beispielsweise Aluminium, das der Vorläufer eines polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts ist, und schließt ein, daß das Metall als ein relativ reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen darin oder eine Legierung ist, in der dieser Metallvorläufer der Hauptbestandteil ist, und, wenn ein spezifiziertes Metall als Grundmetall erwähnt wird, beispielsweise Aluminium, sollte das identifizierte Metall mit dieser Definition vor Augen gelesen werden, es sei denn, etwas anderes ist durch den Zusammenhang angegeben.
  • Der Begriff "Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet eines oder mehrere Metalle in irgendeinem oxidierten Zustand, in dem das Metall (die Metalle) einem anderen Element, einer anderen Verbindung oder einer Kombination davon Elektronen abgegeben haben oder mit diesen Elektronen geteilt haben. Dementsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" gemäß dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff, Stickstoff, einem Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und Verbindungen und Kombinationen davon, einschließlich beispielsweise reduzierbare Metallverbindungen, Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen, Propylen und Mischungen wie Luft, H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;, wobei die letzteren beiden (das heißt H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;) nützlich bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung sind. Das sich ergebende "Oxidationsreaktionsprodukt" kann als der keramische Gegenstand in einem Keramik-/Metallverbundkörper verwendet werden.
  • Der Begriff "Keramik", wie er in dieser Beschreibung und in den beiliegenden Ansprüchen verwendet wird, ist nicht immer auf einen Keramikkörper im klassischen Sinn beschränkt. Das heißt in dem Sinn, daß er vollständig aus nichtmetallischen, anorganischen Materialien besteht. Der Begriff "Keramik" wird manchmal benutzt, um einen Körper zu bezeichnen, der vorwiegend keramisch ist, entweder mit Bezug auf die Zusammensetzung oder die vorherrschenden Eigenschaften, wenngleich der Körper auch beträchtliche Mengen von einem oder mehreren Metallen enthalten kann, die aus einem Grundmetall abgeleitet sind, am typischen innerhalb des Bereichs von etwa 1 bis 40 Vol.-%, aber er kann noch mehr Metall enthalten kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigen:
  • Fig. 1 einen im wesentlichen maßstabsgerechten Querschnitt in schematischer Form durch einen hohlen Keramik- /Metallverbundkörper, der eine Attrappe eines Auspuffrohrs ist, die verwendet wird zum Simulieren von Gießspannungen, die sich ergeben würden, falls ein keramischer Gegenstand zu einen Zylinderkopf gegossen würde, wobei die Attrappe gemäß der Erfindung hergestellt wurde,
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten keramischen Gegenstands, die auch im wesentlichen maßstabsgerecht gezeichnet ist,
  • Fig. 3 eine perspektivische, maßstabsgerechte Ansicht des Keramik-/Metallverbundkörpers, der in Fig. 1 gezeigt ist, und
  • Fig.4 eine Ansicht von unten auf den Keramik- /Metallverbundkörper, der in Fig. 1 gezeigt ist, und der auch im wesentlichen maßstabsgerecht gezeigt ist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß eine poröse, nachgiebige Schicht, die sich mindestens auf der äußeren Oberfläche eines keramischen Gegenstands befindet, insbesondere eines keramischen Gegenstands niedriger Festigkeit, den keramischen Gegenstand daran hindert, aufgrund der Spannungen, die während des Gießens und Abkühlens des gegossenen, schmelzflüssigen Metalls, das um die Keramik herum gegossen wird, zu brechen. Außerdem verringert die nachgiebige Schicht Zugspannungen, die im Metall auch während des Abkühlens des gegossenen, schmelzflüssigen Metalls auftreten können.
  • Die poröse, nachgiebige Schicht ist durch beispielsweise eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung bei typischen Metallgießtemperaturen relativ nicht benetzbar. Die nachgiebige Schicht wird gebildet, indem ein Gipshalbhydrat und mindestens ein Füllstoffmaterial gemischt werden und die Mischung in einen flüssigen Träger, wie Wasser oder eine Wasser-/Alkoholmischung, dispergiert wird. Die Mischung wird zu einer Aufschlämmung geformt, um die Aufbringung der Mischung auf den keramischen Gegenstand und dessen Anhaften daran zu erleichtern. Das Vorhandensein des Gipshalbhydrats gestattet ein rasches Abbinden der Aufschlämmungsmischung ohne die Notwendigkeit eines anderen Bindemittels. Geeignete Gipshalbhydratmischungen umfassen Töpfergips Nr. &sub1; (nachstehend als Töpfergips bezeichnet), der von der US Gypsum Company hergestellt wird und wesentlichen aus CaSO&sub4; 1/2H&sub2;O und Bondex besteht, das von der Bondex Intl. Inc. (nachstehend als Bondex bezeichnet) hergestellt wird und im wesentlichen aus 30 bis 35 Gew.-% CaCO&sub3; und 70 bis 65 Gew.-% CaSO&sub4; 1/2H&sub2;O besteht. Füllstoffmaterialien, die zur Verwendung mit der Gipshalbhydratmischung geeignet sind, umfassen solche Materialien, die das Gipshalbhydrat daran hindern, während dessen Trocknens (das heißt, während des Abbindens oder Hydratisierens) zu reißen und/oder sich abzuschälen. Annehmbare Füllstoffmaterialien umfassen Cristobalit, Quarz, Aluminiumoxid, Cordierit, Kaolintone, Calciumcarbonat usw. Außerdem sollte das Füllstoffmaterial die gesamten mechanischen Eigenschaften eines sich ergebenden Verbundkörpers nicht verschlechtern. Typische Alkohole, die mit dem Wasser vermengt werden können, umfassen niedrig siedende, mit Wasser mischbare Alkohole wie Methanol und Ethanol. Die Aufschlämmung wird auf eine Außenoberfläche eines keramischen Gegenstands aufgetragen, trocknen (das heißt, abbinden) gelassen, und danach führt dies zu einem hydratisierten CaSO&sub4; (das heißt CaSO&sub4;.xH&sub2;O, wobei 1/2 ≤ x ≤2 ist), der leicht an der Außenoberfläche des keramischen Gegenstands anhaftet.
  • Vorzugsweise wird die getrocknete Aufschlämmung danach auf eine erhöhte Temperatur von etwa 700ºC bis 1000ºC erhitzt. Das Erhitzen führt zu einer hochporösen und zusammendrückbaren, nachgiebigen Schicht, die auf der Außenseite eines thermisch isolierenden keramischen Gegenstands gebildet ist. Insbesondere das Hydratwasser wird im wesentlichen vollständig aus dem CaSO&sub4; bei den erhöhten Temperaturen von 700 bis 1000ºC ausgetrieben. Es mag jedoch nicht notwendig sein, irgendein oder das gesamte Hydratwasser aus dem hydratisierten CaSO&sub4; auszutreiben. Ein typisches Problem, das mit dem Aussetzen von hydratisiertem CaSO&sub4; an schmelzflüssiges Metall hoher Temperatur verbunden ist, ist die Entwicklung von Gas (das heißt "Entgasung") aus dem hydratisierten CaSO&sub4;. So ist vielleicht das Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur nicht notwendig, wenn das Entgasen nicht ein spezifisches Problem ist, oder falls das Entgasen gesteuert werden kann. Danach wird ein schmelzflüssiges Metall, wie eine Aluminiumlegierung, um die mit der nachgiebigen Schicht überzogene Keramik gegossen, wodurch ein neues Keramik- /Metallverbundmaterial gebildet wird.
  • Das Erhitzen bei erhöhter Temperatur kann auch eine chemische Reaktion zwischen dem Gipshalbhydrat und dem Füllstoffmaterial fördern, um eine separate kristalline Spezies zu bilden. Beispielsweise könnte, falls ein kieselsäurehaltiges Füllstoffmaterial verwendet wird, eine chemische Reaktion zwischen dem Gipshalbhydrat und dem kieselsäurehaltigen Füllstoffmaterial auftreten, um ein Calciumsilicatmaterial, CaSiO&sub3; und/oder Ca&sub2;SiO&sub4;, zu bilden.
  • Die Menge des Calciumsilicats, das gebildet werden würde, würde sowohl von der Temperatur als auch von der Zeit abhängen. Beispielsweise könnte die Reaktion bei niedrigen Temperaturen (beispielsweise 700ºC) minimal sein, so daß sich sehr wenig Calciumsilicat bilden kann. Bei höheren Temperaturen (beispielsweise 1000ºC oder mehr) könnte sich mehr Calciumsilicat bilden. Insbesondere könnte die nachgiebige Schicht, falls geeignete molare Mengen von CaSO&sub4; und ein kieselsäurehaltiges Füllstoffmaterial verwendet würden, hauptsächlich, falls nicht vollständig, Calciumsilicat sein. Es kann wünschenswert sein, Calciumsilicat zu bilden, weil es auch nicht in irgendeinem nennenswerten Ausmaß durch das schmelzflüssige Metall bei typischen Metallgießtemperaturen, selbst nach einer langen Aussetzung an das Metall, benetzbar ist. So kann bei diesem besonderen Beispiel die nachgiebige Schicht eine Mischung von CaSO&sub4; und mindestens einem Calciumsilicat sein oder die Bestandteile der nachgiebigen Schicht können im wesentlichen vollständig reagiert haben, um mindestens ein Calciumsilicat zu bilden.
  • Die Füllstoffmaterialien haben vorzugsweise einen niedrigen Young'sche Modul, so daß der gesamte Young'sche Modul der sich ergebenden nachgiebigen Schicht nicht wesentlich erhöht ist (das heißt, der Young'sche Modul des Calciumsilicats ist nicht wesentlich überschritten). Die Füllstoffmaterialien können beispielsweise auch die Wärmeleitfähigkeit, die mechanische Festigkeit usw. der nachgiebigen Schicht modifizieren. Die Füllstoffmaterialien können als getrennte Spezies in der nachgiebigen Schicht nach Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur vorhanden sein oder die Füllstoffmaterialien können reagieren, um eine andere Spezies zu bilden. Beispielsweise könnte CaCO&sub3; zugegeben werden, um die Porosität in der nachgiebigen Schicht zu fördern, und, falls ein kieselsäurehaltiges Donatormaterial auch vorhanden wäre, könnte das CaCO&sub3; die Bildung von Calciumsilicat erleichtern. Der maximale Gewichtsprozentsatz solcher Füllstoffmaterialien ist hauptsächlich durch das Ausmaß der Haftung der Aufschlämmung an dem keramischen Gegenstand beschränkt. Mit anderen Worten können die Füllstoffmaterialien in der Aufschlämmungsmischung enthalten sein, so lange die Zusätze die Abbindungs- oder Gelierungscharakteristiken der Aufschlämmung, die durch die Hydratisierung des Calciumsulfats verursacht werden, nicht wesentlich beeinträchtigen.
  • Die Prozentsätze der Hauptbestandteile der Aufschlämmungszusammensetzung, die zur Bildung der nachgiebigen Schicht verwendet werden, das heißt, die Prozentsätze des Gipshalbhydrats, des flüssigen Trägers und des mindestens einen Füllstoffmaterials, können variieren und trotzdem fähig sein, den keramischen Gegenstand gegen die Spannungen zu schützen, die mit dem Gießen, dem Verfestigen und dem Kühlen des schmelzflüssigen Materials verbunden sind.
  • Beispielsweise können die Prozentsätze des Gipshalbhydrats und der Füllstoffmaterialien jeweils von so wenig wie 5 Gew.-% bis so viel wie 95 Gew.-% des Feststoffgehalts der Aufschlämmung variieren. Der prozentuale Feststoffgehalt der Aufschlämmung kann auch zwischen 10 und 90 Gew.-% der Aufschlämmung variieren. Solche Gewichtsprozentsätze sind annehmbar, so lange die Volumenprozentsätze des flüssigen Trägers in der Aufschlämmung 15 Vol.-% überschreiten. Beispielsweise stellt ein solcher minimaler Volumenprozentsatz sicher, daß die Aufschlämmung auf den keramischen Gegenstand aufgetragen werden kann. So tritt für jede repräsentative Zusammensetzung, die Gewichtsprozentsätze der vorhandenen Feststoffe erörtert, der vorstehende Volumenprozentsatz des flüssigen Trägers auch gleichzeitig auf. Wieder werden die oberen Grenzen der vorhandenen Mengen dieser Materialien von praktischen Erwägungen diktiert, einschließlich der Leichtigkeit der Auftragung der Aufschlämmung auf den keramischen Gegenstand, der Leichtigkeit des Haftens der Aufschlämmung an dem keramischen Gegenstand, der Benetzbarkeit der getrockneten und gebrannten, nachgiebigen Schicht schmelzflüssigen Metallen gegenüber, wie Aluminium und Magnesium usw.
  • Die folgenden fünf Zusammensetzungen sind für die Verwendung als Aufschlämmungsmaterial geeignet, welches nach Erhitzen die nachgiebige Schicht bildet. Diese Zusammensetzungen sollen nur als veranschaulichend angesehen werden und sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung beschränken.
  • Zusammensetzung 1
  • Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Wasser und Cristobalit zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt werden, die, wenn sie getrocknet und erhitzt wird, eine Zusammensetzung liefert, die zur Verwendung als nachgiebige Schicht geeignet ist. Die Aufschlämmungszusammensetzung umfaßt 50 Gew.-% Feststoffe, von denen 50 Gew.-% entweder Bondex oder Töpfergips und 50 Gew.-% Cristobalit sind. Das Wasser umfaßt die restlichen 50 Gew. -% der Zusammensetzung.
  • Zusammensetzung 2
  • Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit dem Cristobalit und einem-flüssigen Träger gemischt werden, um eine Aufschlämmungsmischung zur Bildung einer nachgiebigen Schicht zu liefern. Der flüssige Träger umfaßt 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% Methanol.
  • Der Feststoffgehalt der Aufschlämmung umfaßt 10 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung. Von den 10 Gew.-% Feststoffen umfaßt entweder Bondex oder Töpf ergips 10 Gew.-% und Cristobaiit umfaßt 90 Gew.-%.
  • Zusammensetzung 3
  • Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Wasser und Cristobalit zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt werden, die, wenn sie getrocknet und erhitzt ist, eine Zusammensetzung liefert, die zur Verwendung als nachgiebige Schicht geeignet ist. Die Aufschlämmungszusammensetzung umfaßt 50 Gew.-% Feststoffe, von denen 70 Gew.-% entweder Bondex oder Töpfergips und 30 Gew.-% Cristobalit ist. Wasser umfaßt die restlichen 50 Gew.-% der Zusammensetzung.
  • Zusammensetzung 4
  • Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Cristobalit und einem flüssigen Träger gemischt werden, um eine Aufschlämmungsmischung zur Bildung der nachgiebigen Schicht zu liefern. Der flüssige Träger umfaßt 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% Methanol. Der Feststoffgehalt der Aufschlämmung umfaßt 10 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung. Von den 10 Gew.-% Feststoffen umfaßt entweder Bondex oder Töpfergips 70 Gew.-% und Cristobalit umfaßt 30 Gew.-%.
  • Zusammensetzung 5
  • Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Wasser und EPK-Kaolin, geliefert von der Feldspar Corporation und mit etwa der folgenden Zusammensetzung gemischt werden: 46,5 Gew.-% SiO&sub2;, 37,6 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, 0,5 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3;, 0,4 Gew.-% TiO&sub2;, 0,2 Gew.-% P&sub2;O&sub5;, 0,3 Gew.-% CaO und geringe Mengen von MgO, Na&sub2;O, K&sub2;O, SO&sub3; und V&sub2;O&sub5;, um eine Aufschlämmungsmischung zur Bildung einer nachgiebigen Schichtzusammensetzung zu liefern. Der Feststoffgehalt der Zusammensetzung umfaßt 95 Gew.-% Bondex oder Töpfergips, und 5 Gew.-% EPK-Kaolin. Der flüssige Träger umfaßt 50 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung.
  • Jede der vorstehend dargestellten nächgiebigen Schichtaufschlämmungszusammensetzungen kann bei der Herstellung der Keramik-/Metallverbundkörper verwendet werden, die einen inneren keramischen Gegenstand, eine nachgiebige Zwischenschicht und einem äußeren Bereich aus Metall umfassen. Es sollte festgestellt werden, daß thermisch zersetzbare Bestandteile wie Cellulose, Mehl, Sägemehl usw. der Aufschlämmungszusammensetzung zugegeben werden können, um die Porosität der sich ergebenden nachgiebigen Schicht zu modifizieren. Es kann wünschenswert sein, die Porosität zu modifizieren, um den Young'schen Modul und die Brechbarkeit der nachgiebigen Schicht zu modifizieren.
  • Ein Keramik-/Metallverbundkörper gemäß der Erfindung ist im Querschnitt in Fig. 1 gezeigt, wobei das Bezugszeichen 1 den keramischen Gegenstand darstellt, der als innerer Keramikkern verwendet wird, das Bezugszeichen 2 die nachgiebige Schicht bezeichnet und das Bezugszeichen 3 die äußere metallische Schicht bezeichnet. Die gleichen Bezugszeichen wurden in jeder der Fig. verwendet. Es ist festzustellen, daß jede der Fig. 1 bis 3 im wesentlichen maßstabsgerecht gezeichnet wurde; die Dicke der nachgiebigen Schicht wurde jedoch für Zwecke der Klarheit übertrieben. Die tatsächliche Dicke der nachgiebigen Schicht mit Bezug auf die anderen Dimensionen des Verbundkörpers wird später erörtert.
  • Zur Herstellung eines Keramik-/Metallverbundkörpers gemäß der Erfindung sollte zuerst ein keramischer Gegenstand gebildet werden. Verschiedene Materialien sind zur Verwendung als keramischer Gegenstand geeignet. Zusammensetzungen, einschließlich Oxiden wie Aluminiumoxid, Cordierit, Zirconiumoxid und Aluminiumtitanat, Carbid wie Silicumcarbid, Nitride wie Siliciumnitrid, Boride wie Titandiborid usw., sind gut geeignet. Insbesondere sollte die Keramik fähig sein, den heißen, korrosiven Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors zu widerstehen, ohne beträchtlich verschlechtert zu werden. Außerdem sollte der keramische Gegenstand zumindest anfänglich (das heißt: während der Motoraufwärmphase) ein umgebendes Metall von den heißen Auspuffgasen thermisch isolieren. So ist der keramische Gegenstand typischerweise porös. Eine solche Porosität ergibt sich typischerweise in der Keramik, die eine Vierpunkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von nicht mehr als etwa 34,5 MPa (5000 psi) und einen Young'schen Modul von nicht mehr als etwa 70 GPa aufweist. Es wurde entdeckt, daß poröses Aluminiumoxid und Cordierit gut geeignete Oxidzusammensetzungen zur Verwendung für den keramischen Gegenstand sind, der ein Auspuffrohr für einen Verbrennungsmotor auskleiden soll. Der keramische Gegenstand kann durch irgendein geeignetes Verfahren einschließlich Schlickergießen, Trockenpressen und Reagieren eines schmelzflüssigen Metalls mit einem Oxidationsmittel zur Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts gebildet werden, das als "mit porösem Kern und dichter Haut" charakterisiert ist (nachstehend detaillierter beschrieben).
  • Wenn die Keramik gebildet ist, wird mindestens eine Außenfläche davon mit einer Aufschlämmungszusammensetzung überzogen, die Gipshalbhydrat, einen flüssigen Träger und ein Füllstoffmaterial enthält. Die Aufschlämmungszusammensetzung kann durch wohlbekannte Techniken wie Sprühen, Anstreichen und Tauchüberziehen aufgetragen werden. Wenn der keramische Gegenstand hohl ist, sollte irgendeine Art Vorkehrung getroffen werden, um zu verhindern, daß die Aufschlämmungszusammensetzung an einer inneren Oberfläche der Keramik anhaftet. Entweder könnten die Enden der hohlen Keramik mit einem geeigneten Stopfen verstopft werden, oder wenn die Aufschlämmung getrocknet ist, kann die überschüssige Aufschlämmung durch eine geeignete Technik, einschließlich Schmirgeln, Sandstrahlen usw., entfernt werden. Die Aufschlämmungszusammensetzung wird typischerweise getrocknet, um im wesentlichen den gesamten flüssigen Träger aus ihr zu entfernen, um eine poröse, nachgiebige Schicht über zumindest der Außenoberfläche der Keramik zu schaffen.
  • Die Aufschlämmung wird dann auf dem keramischen Gegenstand getrocknet, in dem die Keramik in einen herkömmlichen Ofen mit atmosphärischer Luft verbracht wird, wodurch ein Überzug auf der Keramik gebildet wird. Das Trocknen wird vorzugsweise bei einer Temperatur bei oder gerade unterhalb des Siedepunktes des flüssigen Trägers (das heißt: etwa 70 bis 90ºC bei Wasser) während eines ausreichend langen Zeitraums durchgeführt, um die Entfernung von im wesentlichen des gesamten physisch anhaftenden, flüssigen Trägers in der Aufschlämmung zu bewirken. Das Trocknen könnte jedoch auch bei Raumtemperatur durchgeführt werden, so lange eine ausreichende Zeit für das Trocknungsverfahren zugeteilt wird. Nach dem die Aufschlämmung getrocknet ist, wird der überzogene, keramische Gegenstand dann vorzugsweise auf eine erhöhte Temperatur von etwa 700 bis 1000ºC erhitzt, um im wesentlichen das gesamte Hydratwasser aus dem CaSO&sub4; zu entfernen. Außerdem kann wie vorstehend erörtert in Abhängigkeit von der besonderen Temperatur und der Länge der Zeit eine Reaktion zwischen dem Gipshalbhydrat und dem Füllstoffmaterial auftreten. Insbesondere kann, falls das Füllstoffmaterial ein kieselsäurehaltiges Material ist, zumindest ein Calciumsilicat gebildet werden. Dieses Erhitzen führt zu einem nachgiebigen Schichtüberzug, der an dem keramischen Gegenstand anhaftet.
  • Typischerweise beträgt die Porosität der nachgiebigen Schicht mindestens 30%, denn wenn die Porosität weniger als 30% ist, könnte der Young' sche Modul der nachgiebigen Schicht so hoch sein, daß unerwünscht viel Spannung auf den keramischen Gegenstand übertragen würde. Zusätzlich hilft eine Porosität von mindestens 30% sicherzustellen, daß die nachgiebige Schicht die Wirkung von mechanischen und thermischen Spannungen mildert. Falls die Porosität zu hoch ist, kann die nachgiebige Schicht von dem keramischen Gegenstand abblättern oder abplatzen. Ein bevorzugter Bereich für die Porosität ist jedoch 40 bis 70%, je nach der besonderen Zusammensetzung des keramischen Gegenstands, der nachgiebigen Schicht und des Metalls. Außerdem kann das Verfahren zur Bildung des keramischen Gegenstandes auch die erforderliche Menge an Porosität in der nachgiebigen Schicht beeinflussen. Die Dicke des Überzuges kann durch die Teilchengröße der in der Aufschlämmung suspendierten Feststoffe, der Überzugszeit und durch den prozentualen Feststoffgehalt der Aufschlämmung beeinflußt werden. In dieser Hinsicht erhöht sich die Dicke des Überzuges, wenn die Teilchengröße, die Überzugszeit und der Feststoffgehalt in der Aufschlämmung zunehmen.
  • Weiterhin kann die Dicke der Aufschlämmung auch durch eine Anzahl von Schichten, die auf die keramischen Gegenstände aufgebracht werden, gesteuert werden. Beispielsweise könnte, falls der Gegenstand durch ein Tauchverfahren überzogen wird, die Anzahl der Male, die ein Gegenstand eingetaucht wird, die Dicke des Überzugs steuern. Von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus ist es jedoch wünschenswert, nur eine einzige Schicht des Überzugs aufzubringen. Es ist auch festzustellen, daß jede Überzugstechnik zu unterschiedlichen Dichten für die nachgiebige Schicht führen könnte. Falls beispielsweise eine Vielzahl von dünnen Überzügen durch Sprühen aufgebracht würde, wäre zu erwarten, daß die sich ergebende, nachgiebige Schicht eine größere Dichte als eine nachgiebige Schicht hätte, die durch einen einzigen Tauchüberzugsgang hergestellt worden ist.
  • Der überzogene Gegenstand wird dann in eine geeignete Form verbracht, weil eine Form, die aus Stahl oder Graphit hergestellt wurde, so daß ein schmelzflüssiges Metall um den überzogenen Gegenstand herum gegossen werden kann. Falls der überzogene Gegenstand hohl ist, werden geeignete Schritte unternommen, um zu verhindern, daß schmelzflüssiges Metall in den Hohlraum eintritt. Beispielsweise kann ein feuerfestes Material wie eine Faserwolle in den hohlen Hohlraum gestopft werden. Falls der Verbundkörper als Auspuffrohr zu verwenden ist, würden typische Metalle um die Keramik herum gegossen, einschließlich Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium und Legierungen davon. Andere Metalle, die für ein Auspuffrohr geeignet sind und sich mit dem hier offenbarten Verfahren vertragen, könnten jedoch auch verwendet werden. Das schmelzflüssige Metall wird um den überzogenen Gegenstand herum gegossen und um den überzogenen Gegenstand herum verfestigen gelassen, wodurch ein Keramik- /Metallverbundkörper gebildet wird. Wenn sich das schmelzflüssige Metall verfestigt und abzukühlen beginnt, werden in dem keramischen Gegenstand Druckspannungen als Folge des Unterschieds in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem umgebenden Metall und der Keramik verursacht. Wenn die Dicke des Metalls dünn mit Bezug auf die Dicke der Keramik ist und/oder die Zugfestigkeit des Metalls niedrig ist im Vergleich zu der Druckfestigkeit der Keramik, können sich zusätzlich Zugspannungen in dem Metall ergeben. Obgleich die sich ergebenden Druck- und Zugspannungen ausreichen könnten, um zu verursachen, daß der keramische Gegenstand bricht und das Metall versagt oder nachgibt, mildert das Vorhandensein der nachgiebigen Schicht aufgrund ihres niedrigen Young'schen Moduls, ihrer hohen Porosität und Brechbarkeit die Wirkung solcher Spannungen, da sie selbst zerbricht.
  • Ohne daß man an irgendeine spezifische Erklärungstheorie gebunden ist, wird angenommen, daß folgendes erklärt, wie die nachgiebige Schicht den keramischen Gegenstand niedriger Festigkeit daran hindert, zu reißen, und das Metall daran hindert, zu versagen oder nachzugeben. Schmelzflüssige Metalle wie Aluminium und Aluminiumlegierungsmetalle "benetzen" die nachgiebige Schicht nicht bei typischen Metallgießtemperaturen von 700 bis 900ºC (das heißt, das schmelzflüssige Metall dringt nicht in die Oberfläche der nachgiebigen Schicht in irgendeinem beträchtlichen Ausmaß ein). So besteht eine relativ scharfe oder wohldefinierte Grenzschicht zwischen dem Metall und der nachgiebigen Schicht. Die wohldefinierte Grenzschicht hilft bei der besseren Verteilung der Spannungen, die durch das sich verfestigende Metall erzeugt werden. Spezifisch kann die nachgiebige Schicht im wesentlichen gleichförmig um das kühlende Metall komprimiert werden. Aufgrund der relativ niedrigen Festigkeit und der hohen Porosität der nachgiebigen Schicht kann die nachgiebige Schicht durch das sich abkühlende Metall zerbrochen werden. So absorbiert das Zerbrechen der nachgiebigen Schicht die unerwünschten Spannungen.
  • Zur Herstellung von Keramik-/Metallverbundkörpern gemäß der Erfindung werden die Dicken des keramischen Gegenstandes, der nachgiebigen Schicht und des umgebenden Metalls gleichzeitig in Übereinstimmung mit den physikalischen und thermischen Eigenschaften des keramischen Gegenstandes, des Metalls und der nachgiebigen Schichtzusammensetzung eingestellt, um einen gewünschten Verbundkörper zu erhalten. Beispielsweise erhöht sich die Wanddicke einer nachgiebigen Schicht und eines hohlen keramischen Gegenstandes, wenn der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls und des keramischen Gegenstandes sich erhöht. Vorzugsweise werben keramische Gegenstände mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 2 x 10&supmin;&sup6; cm/cm. ºC und Metalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 23 x 10&supmin;&sup6; cm/cm.ºC kombiniert, um einen Keramik-/Metallverbundkörper gemäß der Erfindung herzustellen. Vorzugsweise beträgt der Wert des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Keramik und dem Metall weniger als 20 x 10&supmin;&sup6; cm/cm.ºC, so daß die Spannungen nicht so groß sind, daß die nachgiebige Schicht nicht funktionieren kann, um ihre Wirkung zu mildern. Die Größenordnung der thermischen Spannungen erhöht sich auch mit der Erhöhung des Schmelzpunkts des Metalls. Wenn eine hohle Keramik niedriger Festigkeit einen Außendurchmesser von etwa 3,5 bis 4,5 cm, eine Wanddicke von etwa 1,5 bis 3,5 mm aufweist und von einem Metall umgeben ist, dessen Dicke von 0,6 cm bis 3,5 cm variiert, sollte die Dicke der nachgiebigen Schicht im bevorzugten Bereich von 0,25 mm bis 1,5 mm gehalten werden. Nachgiebige Schichten in diesem Dickenbereich sind bevorzugt, um sicherzustellen, daß die Keramik ausreichend an das Umgebungsmetall gebunden ist, so daß die Keramik sich nicht aufgrund von Vibrationen von dem Metall trennt. Während eine dicke, nachgiebige Schicht alle unerwünschten Spannungen absorbieren könnte, könnte die dicke Schicht insbesondere die gesamte Unversehrtheit des Verbundkörpers aufs Spiel setzen. Die Schicht sollte jedoch nicht so dünn sein, daß sie nicht die unerwünschten Spannungen absorbieren kann. So gibt es ein Ausgleichen, das mit Bezug auf die Dicke der nachgiebigen Schicht stattfinden muß. Es wird jedoch für die Dicke der nachgiebigen Schicht bevorzugt, daß sie auf ein Minimum herabgesetzt wird.
  • Wie vorstehend erörtert, kann eine große mögliche Anzahl von Kombinationen der nachgiebigen Schichtzusammensetzungen und Metalle verwendet werden, um zu Keramik-/Metallverbundkörpern gemäß der Erfindung zu führen. Keramik-/Metallverbundkörper, die eine große Vielfalt von Konfigurationen aufweisen, können durch die geeignete Auswahl der physikalischen und thermischen Eigenschaften der nachgiebigen Schicht, des Metalls und des keramischen Gegenstandes hergestellt werden. Auf der Grundlage dieser physikalischen Eigenschaften umfaßt die Aufschlämmung für die nachgiebige Schichtzusammensetzung 5 bis 95 Gew.-% Gipshalbhydrat (beispielsweise Töpfergips oder Bondex), mindestens ein Füllstoffmaterial (beispielsweise Cristobalit), die in einer Menge von 5 bis 95 Gew.-% als Feststoffteil der Aufschlämmung (das heißt Gipshalbhydrat und das Füllstoffmaterial sollten jeweilig mindestens 10 Vol.-% betragen), einen flüssiger Träger, wie Wasser oder Wasser-Alkoholmischungen, in einer ausreichenden Menge, um das Anhaften der Aufschlämmung an dem keramischen Gegenstand zu erleichtern, und wenn die Aufschlämmung erst einmal getrocknet und auf der Keramik gebrannt ist, kann sie durch metallische Legierungen solcher Metalle, wie Aluminium, Kupfer, Zink und Magnesium, umgeben werden. Solche Metalle können mit keramischen Gegenständen kombiniert werden, die Oxide, Carbide, Boride und Nitride umfassen, um die gewünschten Keramik- /Metallverbundkörper zu liefern.
  • Es ist festzustellen, daß es vorteilhaft sein kann, einen keramischen Gegenstand mit der nachgiebigen Schicht darauf aufgetragen auf eine Temperatur von beispielsweise 400ºC vorzuerhitzen, um die thermischen Spannungen auf die Keramik zu verringern. Insbesondere wird der Temperaturunterschied zwischen der Keramik und dem schmelzflüssigen Metall durch Vorerhitzen der Keramik vor deren Kontaktieren mit dem schmelzflüssigen Metall verringert, wobei die auf die Keramik einwirkenden, thermischen Spannungen verringert werden. Diese Vorerhitzungstemperatur kann erreicht werden, indem entweder verhindert wird, daß die überzogenen, keramischen Gegenstände unterhalb eine Temperatur von 400ºC nach dem anfänglichen Erhitzen auf die Temperatur von 700 bis 1000ºC fallen, oder der überzogene Gegenstand kann vollständig nach dem anfänglichen Erhitzen gekühlt und dann auf 400ºC vorerhitzt werden. Es wird auch festgestellt, daß die nachgiebige Schicht den keramischen Körper von dem schmelzflüssigen Metall thermisch isolieren kann. So kann die nachgiebige Schicht auch die thermischen Spannungen auf die Keramik verringern, indem sie den Wärmegradienten, der von Keramik erfahren wird, verringert.
  • Die nachfolgenden Beispiele sind Beispiele der vorliegenden Erfindung und diese Beispiele sollen verschiedene Aspekte der Herstellung der Keramik-/Metallverbundkörper veranschaulichen.
  • Diese Beispiele sollen jedoch nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung begrenzen.
  • Beispiel 1
  • Das Ziel dieses Verfahrens war die Bildung eines Verbundkörpers, der die Herstellung eines Auspuffrohrs in einem Verbrennungsmotor simulierte. Eine Vielzahl von Cordieritkeramikgegenständen wurde durch herkömmliche Schlickergieß- und Trenntechniken hergestellt. Die Cordieritgegenstände hatten eine Vierpunkt-Biegefestigkeit von etwa 20,6 bis 22,7 MPa (3000 bis 3300 psi), einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 2,5 x 10&supmin;&sup6; cm/cm.ºC und eine Porosität von etwa 25 Vol.-%.. Die Cordieritgegenstände wurden zur Verwendung als Auspuffrohrverkleidung für einen Verbrennungsmotor geformt. Die Gegenstände waren, wie in Fig. 2 gezeigt, im wesentlichen L-förmig, wobei der Innendurchmesser "a" jedes hohlen Gegenstandes etwa 3,3 cm betrug, der Außendurchmesser "b' 1 etwa 3,70 cm betrug und die Gesamthöhe "c" ungefähr 9,0 cm betrug.
  • Stöpsel wurden vorübergehend in jedes Ende der keramischen Gegenstände eingesetzt, und die Gegenstände wurden in eine Aufschlämmung getaucht, die Töpfergips Nr. 1, Wasser und 17 4m (500 grit) Cristobalit, identifiziert durch den Handelsnamen Minusil, enthielt, das typischerweise zumindest eine teilweise Phasentransformation zwischen den Alpha- und Betaphasen bei etwa 200 bis 300ºC durchmacht. Das Wasser war mit etwa 50 Gew.-% der Mischung vorhanden, der Töpfergips Nr. 1 war mit etwa 35 Gew.-% der Mischung vorhanden und das Cristobalit machte etwa 15 Gew.-% der Mischung aus. Die überzogenen, keramischen Gegenstände wurden dann bei etwa 90ºC während etwa zwei bis vier Stunden getrocknet. Nach dem Trocknen wurden die überzogenen Gegenstände dann auf eine Temperatur von etwa 700ºC mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von etwa 200 bis 300ºC/Stunde erhitzt und bei dieser Temperatur etwa ein bis zwei Stunden gehalten, um zumindest die Entfernung des Hydratwassers aus dem Calciumsulfat zu fördern. Das Ergebnis war eine nachgiebige Schicht mit einer Dicke von etwa 1 mm und einer Porosität im Bereich von etwa 45 bis 64 Vol.-%. Überzogene, keramische Gegenstände wurden daran gehindert, unterhalb eine Temperatur von etwa 400ºC zu fallen (das heißt, nach Erhitzen auf anfängliche, erhöhte Temperatur), bevor das schmelzflüssige Metall um sie gegossen wurde.
  • Die gebrannten keramischen Gegenstände wurden in Formen verbracht, und eine leicht modifizierte 380.1 Aluminiumlegierung von Belmont Metals wurde um die überzogenen. keramischen Gegenstände gegossen. Die modifizierte 380.1 Aluminiumlegierung hatte eine Zusammensetzung von 2,5 bis 3,5 Gew.-% Zn, 3,0 bis 4,0 Gew.-% Cu, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Si, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Fe, 0,2 bis 0,3 Gew.-% Mg, 0 bis 0,5 Gew.-% Mn, 0 bis 0,001 Gew.-% Be und 0 bis 0,35 Gew.-% Sn. Das massive Metall hatte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 21 bis 23 x 10&supmin;&sup6; cm/cm.ºC.
  • Das Metall wurde in einem Tongraphitschmelztiegel unter Verwendung eines Standardinduktionsofens geschmolzen und auf etwa 800ºC erhitzt, bevor es in die Formen gegossen wurde. Das Metall ließ man verfestigen und etwa 15 Minuten bis eine Stunde abkühlen, die Formen wurden dann entfernt. Eine der sich ergebenden Attrappen eines Auspuffrohrs wird perspektivisch in Fig. 3 gezeigt. Die Mindestdicke der Aluminiumlegierung auf der geneigten Fläche jedes Auspuffrohrs betrug etwa 1,0 cm und ist durch "d" dargestellt, während die Maximaldicke der Aluminiumlegierung 2,5 cm betrug und durch "e" dargestellt ist. Eine Ansicht von unten, die jedes Auspuffrohr repräsentiert, ist in Fig. 4 gezeigt. Die Mindestdicke der Aluminiumlegierung an dem unteren Teil betrug etwa 0,7 cm und ist durch "f" dargestellt, während die maximale Dicke der Aluminiumlegierung etwa 2,5 cm betrug und durch "g" dargestellt ist. Die keramischen Gegenstände waren während der Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls nicht gebrochen, und jedes Endprodukt war ein Keramik- /Metallverbundkörper-Motorrohr mit einer gleichmäßigen Bindung zwischen dem keramischen Gegenstand und der Metallschicht.
  • Beispiel 2
  • Das Verfahren von Beispiel 1 wurde befolgt, um eine Vielzahl von Verbundkörpern zu bilden. Statt Töpfergips Nr. 1 wurde jedoch Bondex verwendet. So betrug der Feststoffgehalt der auf die Keramik aufgebrachten Zusammensetzung etwa 20 Gew.-% Calciumcarbonat, 50 Gew.-% CaSO&sub4; x 1/2H&sub2;O und 30 Gew.-% Cristobalit. Entsprechend umfaßt die nachgiebige Schicht, die auf jedem keramischen Gegenstand nach Trocknen und Brennen der Aufschlämmung gebildet wurde, hauptsächlich Calciumsulfat mit geringen Mengen Calciumsilicat darin enthalten, wobei die Schicht im wesentlichen die gleiche Porosität wie die nachgiebige Schicht im Beispiel 1 hatte. Die keramischen Gegenstände brachen während der Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls nicht und jedes Endprodukt umfaßte einen Keramik-/Metallverbundkörper, der eine in hohem Maße gleichförmige Verbindung zwischen dem keramischen Gegenstand und der metallischen Schicht aufwies.
  • Beispiele 3 bis 4
  • Das Ziel dieses Verfahrens war die Bildung eines Keramik- /Metallverbundkörpers, welcher die Herstellung eines Auspuffrohrs für einen Verbrennungsmotor simulierte. Der Hauptunterschied zwischen diesen Beispielen und jedem der vorhergehenden Beispiele 1 und 2 ist, daß der keramische Gegenstand durch ein vollständig anderes Verfahren hergestellt wird. Insbesondere kann ein sogenannter keramischer Gegenstand mit "porösem Kern und dichter Haut" mit der neuen nachgiebigen Schicht überzogen werden, wie in jedem der Beispiele 1 und 2 erörtert. Wenn die Keramik erst einmal hergestellt ist, kann der Verbundkörper auf identische Weise gemäß jedem der beiden vorstehend angegebenen Beispiele hergestellt werden.
  • Kurz beschrieben, wird der Gegenstand mit porösem Kern und dichter Haut mittels einer gesteuerten Oxidationsreaktion eines Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel zum "Wachsen" eines Oxidationsreaktionsprodukts hergestellt. Das Verfahren umfaßt die Erstellung einer Vorform einer vorherbestimmten Gestalt, welche ein Grundmetall und ein Füllstoffmaterial, beide in Teilchenform, umfaßt, wobei das Grundmetall durch das Füllstoffmaterial verteilt ist. Der Volumenprozentsatz des Grundmetalls reicht aus, um ein Volumen dem Oxidationsreaktionsprodukts zu bilden, das das potentiell verfügbare Raumvolumen innerhalb der Vorform überschreitet und deshalb ein Restvolumen des Grundmetalls liefert, damit es einer weiteren Oxidationsreaktion zur Entwicklung einer dichten Oberflächenschicht unterzogen wird. Das heißt, der Volumenprozentsatz des Oxidationsreaktionsprodukts, das sich aus der Oxidation des Grundmetalls ergibt, ist größer als irgend ein anfänglich als Porosität in der Vorform vorhandenes Raumvolumen plus jeglichem innerhalb der Vorform durch die Reaktion des Grundmetalls oder dessen Oxidationsreaktionsprodukt mit dem Füllstoff geschaffenes Platzvolumen, falls der Füllstoff reaktionsfähig ist. Die Verfahrensbedingungen werden gesteuert, um das Grundmetall in einem schmelzflüssigen Zustand in Anwesenheit des Oxidationsmittels zu halten, mit dem es bei Berührung reagiert, um ein Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden. Das Verfahren wird fortgesetzt, um den Transport des schmelzflüssigen Metalls durch das Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung auf das Oxidationsmittel zu verursachen, um weiterhin zusätzliches Oxidationsreaktionsprodukt bei Kontakt mit dem Oxidationsmittel innerhalb der Vorform zu bilden und damit jegliches Porenvolumen zu füllen. Gleichzeitig werden in der ganzen Vorform Leerräume gebildet, die im wesentlichen oder teilweise die Konfiguration des Grundmetalls, wie es in der ursprünglichen Vorform existierte, zu replizieren. Wenn erst einmal jegliches anfängliche Porenvolumen der Vorform mit dem Oxidationsreaktionsprodukt gefüllt ist, wandert das restliche schmelzflüssige Metall weiterhin unter gesteuerten Verfahrensbedingungen durch das Oxidationsreaktionsprodukt und in Richtung auf das Oxidationsmittel, zumindest an einer Oberfläche der Vorform, um zusätzliches Oxidationsreaktionsprodukt als eine im wesentlichen dichte Schicht zu bilden, die über dem porösen Kern liegt und einstückig mit diesem ist, der sich aus der ursprünglichen Vorform entwickelt hat. Die dichte Schicht oder Haut überwächst die Leerräume, die durch die inverse Replizierung der Konfiguration des Grundmetalls gebildet werden, das ursprünglich in der ganzen Vorform verteilt war, und ist folglich im wesentlichen dicht mit Bezug auf den Kern.
  • Der sich ergebende Verbundkörper mit porösem Kern und dichter Haut weist überlegene Abnutzungs- und Erosionseigenschaften mit Bezug auf den porösen Kern auf, und der poröse Kern weist überlegene thermische Isolierungseigenschaften mit Bezug auf die dichte Haut auf. Die Dicke der Haut mit Bezug auf den porösen Kern liegt zwischen 1/5 und 1/50. Weiterhin neigt der Verbundkörper dazu, eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit in den Richtungen parallel zu seiner Oberfläche innerhalb der dichten Hautschicht aufzuweisen, während er niedrigere Wärmeleitfähigkeitseigenschaften senkrecht zu seiner Oberfläche durch seinen porösen Kern aufweist. Diese Charakteristiken werden teilweise durch die geeignete Auswahl der Bestandteile der Vorform, des Oxidationsmittels oder der Oxidationsmittel, die verwendet wurden und durch die Verfahrensbedingungen bestimmt, und die sich ergebenden Eigenschaften des fertiggestellten Gegenstands sind teilweise dadurch maßgeschneidert.
  • Ein weiteres Merkmal des Gegenstands mit porösem Kern und dichter Haut ist die strukturelle Festigkeit des Gegenstandes, die auf die dichtere, feinkörnigere Mikrostruktur der Haut mit Bezug auf den Kern zurückzuführen ist. Spannungen auf einen Strukturkörper wie Dreh- und Biegespannungen werden typischerweise an der Oberfläche des Strukturkörpers im Wert maximiert. So maximiert die starke, dichte Haut des Verbundkörpers ein Potential für den ansonsten schwachen, porösen Kern, um den strukturellen Bedürfnissen Genüge zu tun, während trotzdem die niedrigen Wärmeleitfähigkeits- und Leichtgewichtscharakteristiken des Kerns beibehalten werden. So ist ein Gegenstand mit porösem Kern und dichter Haut ideal zur Verwendung als keramischer Gegenstand für das vorstehend erörterte Metallgießverfahren.
  • Die Gegenstände mit porösem Kern und dichter Haut können bis zu etwa 25 Vol.-% oder mehr der Metallbestandteile, vorzugsweise etwa 3 Vol.-% bis etwa 10 Vol.-%, enthalten. Die Vierpunkt-Biegefestigkeit der porösen Kernmatrix (das heißt, die Festigkeit des porösen Kerns ohne die darauf aufgetragene, dichte Haut) liegt typischerweise innerhalb des Bereichs von etwa 17,2 bis 34,5 MPa (2500 - 5000 psi).
  • Die gesamten Verfahren zur Bildung des keramischen Gegenstands mit porösem Kern und dichter Haut werden hier nicht erörtert, denn sie werden detailliert in der sich im gemeinsamen Besitz bef indenden EP-A-261050 (nicht vorveröffentlicht) erörtert, die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Bei den wünschenswerten keramischen Gegenständen mit porösem Kern und dichter Haut verblieben jedoch vorzugsweise 5 bis 10 Vol.-% des Grundmetalls in der Keramik, und bei einem Querschnitt, der 3 mm bis 5 mm ist, hat die dichte Haut eine etwaige Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm. Die 4-Punkt-Biegefestigkeit für den porösen Kern betrug etwa 27,5 MPa (4000 psi), der Young'sche Modul betrug etwa 160 GPa und der Wärmeausdehnungskoeffizient betrug 9 - 10 x 10&supmin;&sup6; cm/cm ºC. Es ist festzustellen, daß es notwendig war, die mechanischen Eigenschaften von nur der porösen Kernmatrix ohne die dichte Haut darin aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung von geeigneten Proben für das Testen zu bestimmen.
  • Die Keramik mit porösem Kern und dichter Haut brach bei Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls nicht, und das Endprodukt umfaßte einen Keramik-/Metallverbundkörper, der eine in hohem Maß gleichförmige Bindung zwischen der Keramik und der metallischen Schicht aufwies.
  • Beispiel 5
  • Das Verfahren von Beispiel 4 wurde befolgt, (das heißt, Bondex wurde verwendet) mit der Ausnahme, daß die getrocknete Aufschwämmungszusammensetzung auf eine Temperatur von etwa 900ºC erhitzt wurde. Die Keramik mit porösem Kern und dichter Haut zerbrach während der Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls nicht, und das Endprodukt umfaßte einen Keramik- /Metallverbundkörper, der eine in hohem Maß gleichförmige Bindung zwischen der Keramik und der metallischen Schicht aufwies.
  • Vergleichsbeispiele
  • Um den Nutzen der nachgiebigen Schicht zu bestimmen, wurde eine Vielzahl von keramischen Cordieritgegenständen, wie in Beispiel 1 erörtert, und eine Vielzahl von keramischen Gegenständen mit sogenanntem "porösem Kern und dichter Haut", die in Beispiel 3 bis 4 erörtert wurden, in Formen verbracht und auf eine Temperatur von etwa 400ºC vorerhitzt. Die gleiche 380.1 Aluminiumlegierung von Belmont Metals wurde um die nicht überzogenen keramischen Gegenstände gegossen. Das Metall befand sich auf einer ähnlichen Temperatur von etwa 800ºC, ehe es in die Formen gegossen wurde. Das Metall wurde verfestigt und etwa 15 Minuten bis eine Stunde abkühlen gelassen, und die Formen wurden dann entfernt.
  • In jedem Fall wurde gefunden, daß die nichtüberzogenen keramischen Gegenstände Makrorisse enthielten. Bei jedem der keramischen Gegenstände wurde insbesondere beobachtet, daß sich die Risse zwischen den Innen- und Außenoberflächen der hohlen keramischen Gegenstände erstreckten, wobei das Auftreten der Risse sich sehr auf die Nähe des Knies der keramischen Gegenstände 1 konzentrierte. Bei einigen der keramischen Cordieritgegenstände trat außerdem extremes Quellen und eine extreme Abtrennung auf. Die gesamte Mißbildung und das gesamte Quellen ist unannehmbar, falls der keramische Körper als Auspuffsrohrauskleidung verwendet werden soll.
  • So ist es klar, daß die nachgiebige Schicht eine erhebliche Wirkung auf die Menge an Rißbildungen in dem keramischen Gegenstand hat. Insbesondere können wünschenswerte Rohrauskleidungen nicht aus den hier offenbarten Zusammensetzungen hergestellt werden, ohne daß die nachgiebige Schicht auf mindestens einen Teil der Außenoberfläche davon angeordnet ist.
  • Während die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen offenbart wurde, ist klar, daß die Erfindung nicht auf die genaue, hier enthaltene Offenbarung beschränkt ist, sondern auch anderweitig mit verschiedenen Änderungen, Modifizierungen und Verbesserungen, die Fachleuten einfallen können, verkörpert werden können, ohne den Umfang der Erfindung wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, das umfaßt:
    Formen eines keramischen Gegenstands mit einer Außenoberfläche;
    Aufbringen einer haftenden Überzugszusammensetzung auf wenigstens einen Teil der Außenoberfläche des genannten Keramik-Gegenstands;
    Gießen von schmelzflüssigem Metall um den genannten Keramik-Gegenstand mit dem auf gebrachten Überzug; und
    Verfestigen des genannten schmelzflüssigen Metalls, um einen Keramik-Metall-Verbundkörper zu erhalten;
    dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Überzugszusammensetzung gebrannten Gips und ein Füllstoffmaterial umfaßt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte keramische Gegenstand ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Carbiden, Nitriden, Boriden und Mischungen davon, Aluminiumoxid, Cordierit und einem Oxidationsreaktionsprodukt besteht, das aus einem teilchenförmigen Aluminium-Grundmetall mit einem Oxidationsmittel unter Bildung von Aluminiumoxid erhalten wurde, in das Aluminiummetall eingeschlossen ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Überzugszusammensetzung, die gebrannten Gips und ein Füllstoffmaterial umfaßt, in Form einer Aufschlämmungszusammensetzung aufbereitet wird, in der ein flüssiger Träger für die genannte Aufschlämmungszusammensetzung ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser und Wasser- Alkohol-Mischungen besteht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Feststoffgehalt in der genannten Aufschlämmungszusammensetzung zwischen 10 und 90 Gew.-% liegt, wobei der gebrannte Gips in einer Menge zwischen 10 und 90 Gew.-% und das genannte Füllstoffmaterial in einer Menge von 90 bis 10 Gew.-% vorliegen und der Flüssigkeitsgehalt der Aufschlämmung zwischen 90 und 10 Gew.- % liegt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Füllstoffmaterial ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cristobalit, Quarz, Kaolintonen, Aluminiumoxid und Cordierit besteht.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Überzug auf eine erhöhte Temperatur von 700 bis 1000ºC erhitzt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Überzug eine Porosität von wenigstens etwa 30 Vol.-% aufweist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Metall ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium und Legierungen davon besteht.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Überzug von dem schmelzflüssigen Metall nicht nennenswert benetzbar ist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Überzug eine Dicke aufweist, die ausreicht, um Spannungen zu mildern, die durch das Gießen des Metalls erzeugt werden, und bei dem die genannte Überzugszusammensetzung außerdem Calciumcarbonat umfaßt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Überzugszusammensetzung etwa 50 Gew.-% gebrannten Gips, etwa 20 Gew.-% Calciumcarbonat und etwa 30 Gew.-% Cristobalit enthält.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, das umfaßt:
    Formen eines hohlen keramischen Gegenstands nach einem Verfahren, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schlickergießen und der Oxidation eines teilchenförmigen Grundmetalls unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts besteht, um den genannten hohlen keramischen Gegenstand zu erzeugen, wobei der genannte hohle keramische Gegenstand eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche, eine Vierpunkt-Biegefestigkeit von nicht mehr als etwa 34,5 MPa (5000 psi) und einen Young'schen Modul von nicht mehr als etwa 70 GPa aufweist;
    Aufbringen einer Aufschlämmungszusammensetzung auf wenigstens einen Teil der Außenoberfläche des genannten keramischen Gegenstands, wobei die genannte Aufschlämmungszusammensetzung nach einem Verfahren aufgebracht wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aufsprühen, Anstreichen und Tauchbeschichten besteht, wobei die genannte Aufschlämmungszusammensetzung gebrannten Gips, ein Füllstoffmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Cristobalit, Kaolin, Aluminiumoxid und Cordierit besteht, sowie einen flüssigen Träger umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser und Wasser-Alkohol-Mischungen besteht, wobei der Feststoffgehalt der genannten Aufschlämmung zwischen 10 bis 90 Gew.-% liegt, wobei der gebrannte Gips in einer Menge zwischen 10 bis 90 Gew.-% und das genannte Füllstoffmaterial in einer Menge von 90 bis 10 Gew.-% vorliegt, und der Flüssigkeitsgehalt in der genannten Aufschlämmung zwischen 90 und 10 Gew.-% liegt, wobei das Wasser darin in einer Menge zwischen 50 bis 100 Gew.-% vorhanden ist;
    Trocknen der genannten Aufschlämmung, um eine Entfernung im wesentlichen des gesamten flüssigen Trägers aus der Aufschlämmung zu bewirken, wodurch ein haftender Überzug auf der genannten Außenoberfläche des keramischen Gegenstands gebildet wird;
    Erhitzen des genannten haftenden Überzugs auf eine erhöhte Temperatur von etwa 70 bis 1000ºC, um eine Calciumsulfat umfassende nachgiebige Schicht zu erzeugen, wobei die genannte nachgiebige Schicht eine Porosität von wenigstens etwa 30 Vol.-% aufweist;
    Anordnen des genannten keramischen Gegenstands mit der darauf aufgebrachten nachgiebigen Schicht in einer Form;
    Gießen von schmelzflüssigem Metall in die Form, so dar es wenigstens teilweise den genannten keramischen Gegenstand umgibt, wobei das genannte Metall aus der Gruppe von Metallen ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium und Legierungen davon besteht; und
    Abkühlen des schrnelzflüssigen Metalls, um seine Verfestigung um den keramischen Gegenstand mit der darauf aufgebrachten nachgiebigen Schicht herum zu ermöglichen, wobei die genannte nachgiebige Schicht von dein schmelzflüssigen Metall unter den Gießbedingungen nicht benetzbar ist und die nachgiebige Schicht Spannungen mindert, die durch das Gießen des Metalls erzeugt werden.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die genannte nachgiebige Schicht eine Porosität von etwa 40 bis 70 Vol.-% aufweist.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das genannte schmelzflüssige Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium und Aluminium-Legierungen besteht, und das genannte schmelzf lüssige Metall sich auf einer Temperatur von etwa 700 bis 900ºC befindet, und wobei die genannte Aufschlämmungszusammensetzung außerdem Calciumcarbonat enthält.
  15. 15. Ein Keramik-Metall-Verbundkörper, der umfaßt: einen keramischen Gegenstand mit einer Außenoberfläche;
    einen Metallguß, der wenigstens einen Teil der genannten Oberfläche umgibt; und
    eine dazwischenliegende nachgiebige Schicht, die auf wenigstens einem Teil der genannten Außenoberfläche angeordnet ist und eng von dem genannten Metall beaufschlagt wird, wobei die genannte nachgiebige Schicht Spannungen vermindert, die durch das Metall erzeugt werden, wenn das Metall in schmelzflüssiger Form gegossen wird und darum herum abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dar die genannte nachgiebige Schicht Calciumsulfat als einen ihrer Hauptbestandteile umfaßt.
  16. 16. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 15, bei dem der genannte keramische Gegenstand ein Material umfaßt, das aus der Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Cordierit und einem Oxidationsreaktionsprodukt eines teilchenförmigen Aluminium-Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel unter Bildung von Aluminiumoxid, in das Aluminiummetall eingeschlossen ist, besteht.
  17. 17. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 16, bei dem der genannte keramische Gegenstand hohl ist und eine Vierpunkt-Biegefestigkeit von nicht mehr als etwa 34,5 MPa (5000 psi) und einen Young'schen Modul von nicht mehr als etwa 70 GPa aufweist.
  18. 18. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 15, bei dem das genannte Metall ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium und Legierungen davon besteht, wobei das Metall einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als etwa 20 x 10&supmin;&sup6; cm/cm x ºC aufweist.
  19. 19. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 17, bei dem das genannten Oxidationsreaktionsprodukt ein Material mit einem porösen Kern und einer dichten Oberfläche umfaßt und bei dem das genannte Material mit dem porösen Kern und der dichten Oberfläche ein Material umfaßt, das 5 bis 10 Vol.-% Aluminium in der Aluminiummatrix aufweist und bei dem das Verhältnis zwischen der Dicke der Oberfläche relativ zu dem porösen Kern zwischen 1/5 und 1/50 liegt.
  20. 20. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 15, der umfaßt:
    einen hohlen keramischen Gegenstand, der ein Material umfaßt, das aus der Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Cordierit und einem Oxidationsreaktionsprodukt eines teilchenförmigen Aluminium-Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel unter Bildung von Aluminiumoxid mit darin eingeschlossenem Aluminiummetall besteht, wobei der genannte hohle keramische Gegenstand eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche aufweist;
    eine zwischengelagerte nachgiebige Schicht, die als einen Hauptbestandteil Calciumsulfat aufweist, wobei die genannte nachgiebige Schicht eine Porosität von wenigstens etwa 30 Vol.-% aufweist; und
    eine äußere Schicht von Metall, die die genannte zwischengelagerte nachgiebige Schicht eng beauf schlagt, wobei die genannte äußere Metallschicht ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe von Metallen ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium und Legierungen davon besteht, wobei die genannte nachgiebige Schicht Spannungen vermindert, die durch das Metall erzeugt werden, wenn das Metall in schmelzflüssiger Form gegossen und um diese herum abgekühlt wird.
  21. 21. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 20, bei dem die genannte nachgiebige Schicht eine Porosität von etwa 40 bis 70 Vol.-% aufweist.
  22. 22. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 21, bei dem das genannte Oxidationsreaktionsprodukt einen Gegenstand mit einem porösen Kern und einer dichten Oberfläche umfaßt und bei dem der genannte Gegenstand mit porösem Kern und dichter Oberfläche ein Material umfaßt, das 5 bis 10 Vol.-% Aluminium in der Aluminiummatrix aufweist und bei dem das Verhältnis zwischen der Dicke der Oberfläche zu der Dicke des porösen Kerns zwischen 1/5 und 1/50 liegt.
  23. 23. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 22, bei dem der genannte Gegenstand mit porösem Kern und dichter Oberfläche eine Vierpunkt-Biegefestigkeit für den porösen Kern von etwa 27,5 MPa (4000 psi), einen Young'schen Modul von etwa 160 GPa und einen thermischen Ausdehnungkoeffizienten von etwa 9 bis 10 x 10&supmin;&sup6; cm/cm ºC aufweist.
  24. 24. Keramik-Metall-Verbundkörper, der umfaßt: einen keramischen Gegenstand mit einer Außenoberfläche;
    einen Metallguß, der wenigstens einen Teil der genannten Außenoberfläche umschließt; und
    eine zwischengelagerte nachgiebige Schicht, die wenigstens auf einem Teil der genannten Außenoberfläche angeordnet ist und eng von dem genannten Metall beaufschlagt wird, wobei die genannte nachgiebige Schicht Spannungen vermindert, die von dem Metall erzeugt werden, wenn das Metall in flüssiger Form gegossen und darum herum abgekühlt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dar die genannte nachgiebige Schicht als einen ihrer Hauptbestandteile Calciumsilicat umfaßt.
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